Efecto del tamaño de particula, densidad del medio y concentración de carbón del Cerrejón en un proceso de beneficio usando separación flotado hundido [recurso electrónico]

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(1)EFECTO DEL TAMAÑO DE PARTICULA, DENSIDAD DEL MEDIO Y CONCENTRACIÓN DE CARBÓN DEL CERREJÓN EN UN PROCESO DE BENEFICIO USANDO SEPARACIÓN FLOTADO-HUNDIDO. JUAN FELIPE ESCOBAR ARBOLEDA JULIETH STEFANIA ORTIGOZA MORENO. UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA SANTIAGO DE CALI 2011.

(2) EFECTO DEL TAMAÑO DE PARTICULA, DENSIDAD DEL MEDIO Y CONCENTRACIÓN DE CARBÓN DEL CERREJÓN EN UN PROCESO DE BENEFICIO USANDO SEPARACIÓN FLOTADO-HUNDIDO. JUAN FELIPE ESCOBAR ARBOLEDA JULIETH STEFANIA ORTIGOZA MORENO. Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Químico. Director: Ing. Juan Manuel Barraza Burgos, M.Sc., Ph.D Escuela de INGENIERÍA QUÍMICA. UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA SANTIAGO DE CALI 2011.

(3) NOTA DE APROBACION. El proyecto de tesis titulado EFECTO DEL TAMAÑO DE PARTICULA, DENSIDAD DEL MEDIO Y CONCENTRACIÓN DE CARBÓN PROCESO DE. DEL CERREJÓN EN UN. BENEFICIO USANDO SEPARACIÓN FLOTADO-HUNDIDO. presentado por los estudiantes Juan Felipe Escobar y Julieth Stefania Ortigoza como requisito parcial para obtener el título de Ingeniero Químico, fue aprobado el 14 de febrero de 2011. Nota de aceptación: ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________. ______________________________. Ing. Juan Manuel Barraza B. PhD. Director de Trabajo de Grado. ______________________________ Presidente del Jurado. ______________________________ Jurado ______________________________ Jurado. Cali, Febrero 14 de 2011.

(4) A Dios, mi guía y mi luz, su fidelidad es infinita, Me demostró que por encima de él no hay nadie Llevándome de su mano, sin dejarme desfallecer para culminar con éxito una etapa más. A él Gracias, mil gracias. A la mujer incansable, a ella quien me dio la vida, Gracias Mamá, Mujer soñadora, Mujer que hace posible lo imposible. Eres mi motivación, el mejor ejemplo de lucha, disciplina y entrega. Hoy soy el hombre que alguna vez soñaste formar. A Miguel, a mi amigo, mi hermano, por creer en mí, por depositar tanta confianza, por resaltar las capacidades que yo dudaba tener. Por tener la paciencia inagotable. Gracias PKDV. A mi tía Mónica y mi abuelita por su apoyo constante y permanente, Siempre respaldando todos mis sueños. Gracias por ser modelo para mi vida. A mi familia gracias por estar ahí siempre. A Julieth por todo su apoyo durante la carrera, Por todos los momentos compartidos. Por confiar en mí para sacar adelante este proyecto Por dejar simplemente de ser compañera, para convertirse en amiga Gracias por ser el mejor equipo siempre. A Johana toda mi gratitud, eres el mejor ejemplo que enseña que en la vida todas las metas se pueden alcanzar con esfuerzo y trabajo. Tu apoyo desinteresado, tu amistad incondicional Y tus buenos consejos me permitieron tomar sabias decisiones.. A todos mis amigos y demás compañeros de carrera por compartir tantos momentos divertidos. Gracias porque cada uno a su manera, aportó algo para que este sueño fuera hoy más real que nunca.. JUAN FELIPE.

(5) A Dios que me dio la oportunidad de vivir y regalarme una familia maravillosa. Por cuidarme, por darme sabiduría y fuerzas para seguir adelante. A mi madre por su tenacidad y lucha insaciable; porque siempre has velado por mi bienestar y educación. Por tu apoyo, confianza, dedicación y esfuerzo. Por ti soy lo que soy. TE AMO MAMI. A mi padre que desde el cielo sé que está orgulloso y deseando lo mejor para mi. A mi hermana y familia por su apoyo incondicional y por creer en mí. A mi institución, educadores y al director de la tesis Juan Manuel Barraza, por enseñarme el amor al estudio. A todos mis amigos, en especial a Juanfe y Davinchi. Muchas gracias por estar conmigo todo este tiempo. Gracias porque fueron protagonistas en mi formación, pero sobretodo por ser mis amigos y porque de ustedes siempre he recibido un apoyo incondicional y han estado conmigo en las buenas y malas. Sin todos ustedes nada hubiera sido posible. Los amo.. JULIETH.

(6) TABLA DE CONTENIDO. 1. INTRODUCCIÓN ..............................................................................................................1 2. MARCO TEÓRICO ............................................................................................................4 2.1 Limpieza del carbón .....................................................................................................4 2.2 Proceso de separación gravimétrica ............................................................................4 2.3 Principios básicos .........................................................................................................5 2.4 Flotado-Hundido (Float-Sink) ......................................................................................6 2.5 Medios de separación ...................................................................................................7 2.6 Curvas de lavabilidad ...................................................................................................7 3. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL..............................................................................11 3.1 Equipos utilizados ......................................................................................................11 3.1.1 Trituración y tamizado de las muestras de carbón ...........................................11 3.1.2 Caracterización de las muestras sin beneficiar .................................................11 3.1.3 Separación gravimétrica ...................................................................................11 3.1.4 Filtración ..........................................................................................................12 3.1.5 Densímetro digital ............................................................................................12 3.1.5 Molino de bolas ................................................................................................12 3.2 Preparación del carbón ..............................................................................................12 3.2.1 Cuarteo .............................................................................................................12 3.2.2 Análisis granulométrico: tamizado ...................................................................13 3.2.3 Concentración y escogencia del tipo de carbón ...............................................13 3.2.4 Determinación de cenizas y humedad ..............................................................13.

(7) 3.3 Materiales ..................................................................................................................14 3.3.1 Carbón .............................................................................................................14 3.3.2 Medio de separación ........................................................................................15 3.4 Procedimiento experimental ......................................................................................15 3.4.1 Distribución granulométrica de la muestra original ........................................15 3.4.2 Separación a escala de laboratorio ..................................................................16 3.4.2 Separación por flotado-hundido ......................................................................16 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN .............................................................18 4.1 Efecto del tamaño de partícula, concentración y densidad sobre el rendimiento de flotados ......................................................................................................................18 4.2 Efecto del tamaño de partícula, concentración y densidad sobre el contenido de cenizas de flotados......................................................................................................21 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES................................................................24 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..............................................................................26.

(8) LISTA DE TABLAS Tabla 2.1. Resultados de la prueba flotado-hundido ..............................................................8 Tabla 3.1. Contenido de cenizas en el carbón inicial ............................................................14 Tabla 3.2. Contenido de humedad en el carbón inicial .........................................................14 Tabla 3.3. Definición de tamaño de partícula .......................................................................14 Tabla 3.4.a. Definición de las variables experimentales .......................................................17 Tabla 3.4.b. Definición de las corridas experimentales ........................................................17 Tabla B1. Resultados análisis de cenizas para el tamaño de partícula de 4,75 mm..............32 Tabla B2. Resultados análisis de cenizas para el tamaño de partícula de 2,00 mm..............33 Tabla B3. Resultados análisis de cenizas para el tamaño de partícula de 1,18 mm..............34.

(9) LISTA DE FIGURAS. Figura 2.1. Fuerzas que actúan sobre una partícula de carbón sumergida en un medio denso .....................................................................................................................................5 Figura 2.2. Análisis del procedimiento flotado-hundido ........................................................6 Figura 2.3. Curva de lavabilidad para los datos de la Tabla 1 ................................................8 Figura 2.4. Curva de lavabilidad primaria ..............................................................................9 Figura 2.5. Lavabilidad primaria y curva M (facilidad o dificultad para limpiar el carbón)...................................................................................................................................10 Figura 3.1. Técnica de cuarteo ..............................................................................................13 Figura 4.1. Curvas densimétricas a diferentes tamaños de partícula a) 4,75 mm, b) 2,00 mm y c) 1,18 mm, para concentraciones de carbón de 15%, 20% y 25% ...................................20 Figura 4.2. Curvas de lavabilidad tipo M a diferentes tamaños de partícula a) 4,75 mm, b) 2,00 mm y c) 1,18 mm, para concentraciones de carbón de 15%, 20% y 25% ....................23 Figura A1. Separación gravimétrica .....................................................................................29 Figura A2. Flotado-hundido ..................................................................................................29 Figura A3.Equipo de filtración .............................................................................................30 Figura A4. Densímetro ..........................................................................................................30 Figura A5. Molino de bolas ..................................................................................................30 Figura A6. Juego de tamices .................................................................................................31.

(10) RESÚMEN La presente investigación se realizó en el laboratorio de ciencia y tecnología del carbón de la Universidad del Valle, durante el año 2010, tomándose como parámetro de medición la remoción de cenizas de una muestra representativa de carbón del manto K60, proveniente de la mina del Cerrejón. El propósito de esta investigación consistió en la evaluación del efecto del tamaño de partícula, densidad del medio y concentración de carbón, como parámetros en un proceso de beneficio por flotado-hundido. Para ello fue necesaria la correlación de las características de las muestras de carbón con el comportamiento en el proceso, luego se evaluó la influencia de los parámetros del proceso en la suspensión y finalmente se construyeron curvas de lavabilidad primarias y tipo M que permitieron la evaluación de la dificultad en la separación de las muestras de carbón procesadas, y la fácil interpretación del desempeño del carbón en el flotado en cuanto a remoción de cenizas. El presente estudio se justificó como una herramienta fundamental para el mejoramiento de la calidad del carbón y los beneficios que a partir de esto se generan. El estudio mostró que existe disminución del porcentaje de cenizas mediante el proceso de separación gravimétrica a escala de laboratorio, donde se usaron tres (3) tamaños de partícula, tres (3) concentraciones y seis (6) diferentes densidades del medio de separación.. Las curvas de lavado obtenidas determinaron que hubo una disminución en el porcentaje promedio de cenizas hasta un 3% con un rendimiento global acumulado del 80%, partiendo de un contenido inicial de cenizas de 22%..

(11) 1. INTRODUCCION. Nuestro país cuenta con una de las reservas más grandes de carbón en Latinoamérica. Posee el 0.7% de las reservas mundiales de carbón (7.000 millones de toneladas métricas); esto representa el 0.75% del total de la producción mundial (con 55,2 millones de toneladas anuales), y consume sólo el 0.096% del total producido mundial (5.2 millones de toneladas) (Likuen 1, 2008). Esto permite asegurar una existencia de al menos 250 años de producción a los niveles de explotación actual, los cuales son suficientes para cubrir el mercado interno y para participar a gran escala en el mercado internacional.. Para la economía nacional, este mineral se consolida como el segundo renglón de exportación después del petróleo. Los principales compradores en el mercado del combustible son Europa y Estados Unidos con un 52% y 36% respectivamente del total de su producción anual (Likuen 2, 2008). La obtención del carbón en los últimos diez años ha tenido un crecimiento promedio anual de 8%.. La costa Atlántica tiene una participación en producción del 92% del total nacional (Cerrejón 2, 2009). Esta amplia contribución y el reconocimiento en mercados internacionales como un carbón de alta calidad (bajo contenido de cenizas y azufre, alto en materia volátil y en poder calorífico) han posicionado a la compañía el Cerrejón en el primer lugar en producción de este mineral en Colombia. La mina Cerrejón, ubicada en el departamento de la Guajira, es la operación de minería de carbón de exportación a cielo abierto más grande del mundo; la minería a cielo abierto es una operación en secuencia que se inicia con la limpieza de la superficie y retiro cuidadoso de la capa vegetal que se almacena para la futura rehabilitación de las tierras intervenidas. Luego, se llevan a cabo la perforación, voladura y remoción del material estéril hasta exponer los mantos de carbón..

(12) Para satisfacer los altos estándares de calidad, el carbón debe cumplir con ciertas especificaciones que permitan su fácil comercialización en el ámbito internacional, lo cual implica un tratamiento previo para efectos de reducción del contenido de cenizas presente. Así pues los carbones que presentan altos contenidos de materia mineral (hasta 22%) (Cerrejón 2, 2009) son sometidos a un proceso de limpieza.. El proceso de limpieza de carbones se fundamenta en la separación de las materias orgánica y mineral a partir de un medio denso, por efecto de las propiedades químicas del carbón sometido, para obtener flotados concentrados en materia orgánica y fondos con altas concentraciones en materia mineral.. El beneficio de carbón por separación gravimétrica Flotado-Hundido es una herramienta básica para encontrar las mejores condiciones de operación, tales como la densidad de separación, el tamaño de partícula y la concentración de carbón, las cuales se usarán a escala de planta piloto en procesos de separación gravimétrica (hidrociclones, tablas densimétricas, entre otros) (Barraza, 2009).. El objetivo de la presente investigación fue evaluar el efecto del tamaño de partícula, densidad del medio de separación y concentración de carbón en el alimento, sobre el rendimiento y la calidad de flotados obtenidos, mediante curvas de lavabilidad construidas a partir del proceso de limpieza de carbón por flotado-hundido..

(13) 2. MARCO TEÓRICO. 2.1 Limpieza del carbón Los procesos de limpieza de carbón tienen como objetivo mejorar la calidad de éste, lo que conlleva a reducir la materia mineral para obtener materia orgánica más concentrada y así lograr incrementar el poder calorífico del carbón (Berkowitz, 1979). En los procesos de limpieza, el carbón es sometido básicamente a operaciones de molienda, trituración y lavado que permiten separar la materia mineral de la materia orgánica. La diferencia entre las densidades relativas de las sustancias orgánicas e inorgánicas facilitan los procesos de separación gravimétrica favoreciendo la calidad del carbón.. Inicialmente el carbón se somete a procesos de trituración y tamizado con el propósito de liberar la materia mineral, conocer las proporciones de los diversos tamaños de partícula, las variaciones de las propiedades, y la cantidad de finos presentes en el carbón.. 2.2 Proceso de separación gravimétrica El proceso de separación gravimétrica se basa en el principio de Arquímedes y consiste fundamentalmente en utilizar líquidos de diferentes densidades, de tal forma que los componentes de carbón con mayor densidad se hunden por acción de la gravedad y los de menor densidad flotan hacia la superficie.. Este proceso permite calcular el rendimiento de flotados y hundidos; se utiliza como indicador de dificultad y efectividad en el proceso de limpieza del carbón y permite caracterizar muestras procesadas en contenidos de cenizas, azufre y poder calorífico a diferentes densidades (Dormans, 1957)..

(14) 2.3 Principios básicos Considérese una partícula de carbón de masa m, volumen v, densidad d, la cual se sumerge en un medio de densidad D como se muestra en la Figura 2.1. Las fuerzas involucradas en el proceso son la gravitacional, la fuerza debido a la masa de la partícula de carbón, mg = dvg , el empuje es la fuerza que ejerce el medio sobre la partícula debido al peso del mismo, Dvg y la fuerza de resistencia, la cual se debe a los efectos viscosos del líquido, R. A partir de un balance de las anteriores fuerzas, se obtiene la velocidad de sedimentación S del carbón por la ecuación: S ≈ v(d − D )g − R. (1). Donde g representa la aceleración de la gravedad.. Figura 2.1. Fuerzas que actúan sobre una partícula de carbón sumergida en un medio denso La ecuación (1) muestra principalmente que la velocidad de sedimentación de la partícula se reduce cuando el volumen de partícula es bajo, la diferencia entre la densidad de la partícula y la del medio es muy pequeña o el medio tiene una viscosidad considerada. En consecuencia, los principales factores que intervienen en la separación gravimétrica son el tamaño de partícula, el medio de separación y la gravedad específica requerida de las fracciones de carbón (Martínez T., 1992)..

(15) 2.4 Flotado-Hundido (Float-Sink) El proceso de flotado-hundido, también llamado separación en medio pesado o separación en medio denso SMD, se utiliza en la preparación de carbón para producir un producto final comercial, produciendo un carbón limpio (bajo en cenizas) a partir de un carbón alimento con alto contenido de cenizas.. El proceso de flotado-hundido ofrece algunas ventajas sobre otros procesos gravimétricos. Tiene la capacidad de hacer separaciones a cualquier densidad deseada, con alto grado de eficiencia aún en presencia de altos porcentajes de material de densidad próxima. La densidad de separación se puede cambiar a voluntad y con cierta rapidez, para servir a diferentes necesidades. El proceso se aplica con frecuencia cuando la diferencia en la densidad se presenta en partículas gruesas, ya que la eficiencia en la separación disminuye con el tamaño debido a la velocidad lenta de asentamiento de la partícula.. El principio del proceso flotado-hundido se muestra en la Figura 2.2, donde una cantidad pesada previamente de una fracción de tamaño conocida se introduce gradualmente en un líquido denso a la menor densidad. Las fracciones flotantes se separan de las fracciones que se hunden. El procedimiento se repite y se extiende sobre el rango de densidad deseado. El peso y cenizas se determina en cada fracción obtenida a las diferentes densidades (Laskowski, 2001).. Figura 2.2. Análisis del procedimiento flotado-hundido (Laskowski, 2001) γ representa el rendimiento, λ representa el contenido de cenizas y δ la densidad relativa..

(16) 2.5 Medios de separación Puesto que la mayor parte de líquidos que se usan en el laboratorio son tóxicos (por ejemplo, bromoformo, tetrabromoetano (TBE), entre otros) y se deben manejar con extremo cuidado, en la separación industrial el medio pesado es una suspensión espesa o una pulpa de algún material pesado en agua, que se comporta como un líquido pesado (Wills, 1987).. El medio denso a trabajar debe cumplir con ciertas especificaciones que contribuyan a una alta eficacia en la separación. Sus características son: fácilmente diluible, no tóxico, de fácil recuperación, inerte a los constituyentes del carbón, baja viscosidad y económico. Uno de los medios de separación que usualmente se utiliza en pruebas de laboratorio lo representa el nitrato de calcio Ca(NO3)2, el cual cumple con los requisitos establecidos previamente. Las trazas de medio presentadas en el material separado se pueden recuperar por lavado con agua y evaporación.. 2.6 Curvas de lavabilidad Las curvas de lavabilidad representan la relación entre una característica de interés del carbón y la cantidad de flotantes y fondos producidos a una determinada gravedad específica (Vanegas, 1998).. Teniendo datos de contenido de cenizas de cada una de las muestras procesadas, así como los porcentajes en peso de las fracciones separadas en cada densidad trabajada, se construyen las curvas de lavabilidad.. Una vez se tengan los resultados de lavabilidad tabulados (ver ejemplo en la Tabla 2.1), se procede a calcular el porcentaje de rendimiento acumulado, y a su vez se construye una gráfica de lavabilidad (ver Figura 2.3 - gráfica de Henry-Reinhard) la cual correlaciona el porcentaje de rendimiento acumulado vs. el porcentaje de cenizas acumulado. La Figura 2.4 representa una gráfica primaria de lavabilidad (región ampliada en el rango de 0 a 20 % de cenizas)..

(17) Tabla 2.1. Resultados de la prueba flotado-hundido (Laskowski, 2001) ρr. γ (%). λ (%). γλ/100. Σγλ/100. -1.3. 43.0. 2.0. 0.860. 1.3-1.4. 26.0. 5.5. 1.4-1.5. 3.6. 1.5-1.6. Carbón limpio. Rechazado. Σγc. ν. Σγt(%). β (%). 0.86. 43.0. 2.0. 57.0. 36.5. 1.430. 2.29. 69.0. 3.3. 29.0. 66.7. 17.0. 0.612. 2.90. 72.6. 4.0. 25.4. 73.8. 3.4. 28.0. 0.952. 3.85. 76.0. 5.1. 24.0. 74.0. 1.6-1.7. 2.3. 39.0. 0.897. 4.75. 78.3. 6.1. 21.7. 77.8. 1.7-1.8. 3.0. 52.0. 1.560. 6.31. 81.3. 7.7. 18.7. 82.2. 1.8-2.0. 4.7. 67.0. 3.150. 9.46. 86.0. 11.0. 14.0. 87.0. +2.0. 14.0. 87.0. 12.200. 21.64. 100.0. 21.6. 0.0. 100.0. 21.64. Figura 2.3. Curva de lavabilidad para los datos de la Tabla 2.1 (Laskowski, 2001).

(18) Figura 2.4. Curva de lavabilidad primaria (Laskowski, 2001). Las curvas de lavabilidad se pueden clasificar en curvas. de separación ideal, de. limpieza fácil, de limpieza difícil y de separación Imposible. Éstas cuatro curvas se presentan en la Figura 2.5, donde se muestran las curvas primarias y las curvas M (Mayer, 1957).. La forma de las curvas primarias y de las curvas M de lavabilidad indica la facilidad o dificultad de limpieza del carbón. La curva primaria para el caso de un carbón de difícil limpieza, muestra un cambio gradual en la pendiente, lo cual produce un alto rendimiento de fracciones medias. El proceso de limpieza ideal se caracteriza por tener una forma tipo L en la curva primaria.. En la Figura 2.5 también se observa que la curva M conecta el punto de rendimiento cero con el eje donde se encuentran las cenizas acumuladas, y un cambio gradual en la pendiente de la curva M indica que las características de lavado del carbón son más difíciles..

(19) Figura 2.5. Lavabilidad primaria y curva M (facilidad o dificultad para limpiar el carbón): a) Separación ideal, b) Limpieza fácil, c) Limpieza difícil, d) Separación imposible (γc representa el rendimiento del flotado, γt representa el rendimiento del fondo, γm representa el rendimiento del la fracción media, λc representa el contenido de cenizas del flotado, λt representa el contenido de cenizas del fondo, λm representa el contenido de cenizas de la fracción media) (Laskowski, 2001)..

(20) 3. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL. 3.1 Equipos utilizados 3.1.1 Trituración y tamizado de las muestras de Carbón La muestra representativa se sometió a un proceso de molienda, donde se realizó una reducción en el tamaño de partícula y la liberación de materia mineral, utilizando un molino de mandíbulas. Posteriormente se llevó a un proceso de tamizado dónde se obtuvo los tamaños de partícula nominal definidos previamente (4.75, 2.00 y 1.18 mm). Esta granulometría se escogió para estudiar una alternativa de tamaño de partícula diferente al utilizado en la planta de lavado del Cerrejón.. 3.1.2 Caracterización de las muestras sin beneficiar En la realización de los análisis de humedad y cenizas, se emplearon los siguientes equipos del laboratorio de carbón: una mufla, un desecador y un horno controlado.. 3.1.3 Separación gravimétrica Para la separación gravimétrica se utilizó el siguiente esquema (ver Figura A1). Unas bolsas plásticas con una dimensión de 1 metro de Largo por 0.1 metro de ancho se utilizaron como receptáculo.. Este tipo de material se escogió debido a que el manejo del plástico era fácil y práctico. La rápida separación de las muestras permitió apreciar la diferencia entre la fase flotante y la fase de fondo (ver Figura A2), que posteriormente se sometió a un proceso de filtrado..

(21) 3.1.4 Filtración Para separar totalmente las dos fases de carbón y el medio denso contenido en los recipientes, se empleó un sistema de filtración dotado de una bomba de vacío, un erlenmeyer con desprendimiento lateral, un embudo buchner y papel filtro.. Teniendo las tres soluciones separadas se procedió a la filtración de cada una (ver Figura A3), lavado de las muestras, y posteriormente al secado de la masa flotante y la masa de fondo al medio ambiente.. 3.1.5 Densímetro digital Para mediciones de densidad del medio de separación de Nitrato de Calcio Ca(NO3)2 se utilizó un densímetro digital para garantizar precisión en las mediciones (ver Figura A4).. 3.1.6 Molino de bolas Para la obtención de un tamaño de partícula adecuado en la determinación de cenizas y humedad, se utilizó un molino de bolas (ver Figura A5).. 3.2. Preparación del carbón 3.2.1 Cuarteo Para lograr una eficiencia óptima en el proceso de beneficio, se evaluó y conoció las características del carbón siguiendo técnicas de cuarteo de acuerdo a la norma ASTM D2234 / D2234M - 10 (ver Figura 3.1)..

(22) Figura 3.1. Técnica de cuarteo.. 3.2.2 Análisis granulométrico: tamizado Con el objetivo de analizar la distribución de los tamaños de carbón extraídos de la mina del Cerrejón, se efectuó un análisis granulométrico de carbones siguiendo la norma ASTM D4749-87.. Los tamices empleados en el laboratorio para la obtención de los tamaños de partícula nominal fueron tamiz N° 4, tamiz N° 8, tamiz N° 10, tamiz N° 16 y finalmente el tamiz N° 20 para las partículas finas; éstos se sometieron a vibración en un Ro Tap (ver Figura A6).. 3.2.3 Concentración y escogencia del tipo de Carbón Se establecieron tres concentraciones de 15%, 20% y 25% para todos los tres tamaños de partícula usando un volumen de 0.5 lt, con una masa de carbón de 53, 87 y 125 g respectivamente.. 3.2.4 Determinación de cenizas y de humedad El contenido de cenizas es un parámetro básico para establecer la calidad del carbón. Las cenizas de un carbón se obtienen a manera de producto en la combustión, y se utiliza como una medida para determinar la cantidad de minerales que contiene. La determinación de cenizas se realizó siguiendo la norma ASTM D3174-89..

(23) Paralelo al análisis de cenizas se determinó la humedad residual contenida en el carbón secado a la atmósfera, siguiendo la norma ASTM D3173-87.. 3.3 Materiales 3.3.1 Carbón Para la ejecución de esta labor se trabajó con un carbón extraído del manto K60 proveniente de la mina del Cerrejón. Éste mineral se sometió a un proceso de molienda y tamizado para posterior análisis de contenido de cenizas (ver Tabla 3.1) y humedad (ver Tabla 3.2).. Tabla 3.1. Contenido de cenizas en el carbón inicial Tamaño de partícula (+) 4 (-) 8 (4,75 mm) R(+) 4 (-) 8* (+)10 (-)16 (2,00 mm) R(+)10 (-)16** (+)16 (-)20 (1,18 mm) R(+)16 (-)20***. Peso Muestra (g) 0,9997 1,0005 1,0004 1,0001 1,0002 1,0009. Final. % Cenizas. 11,1348 10,8817 12,7097 10,2804 10,5519 11,1308. 22,0366 21,5792 14,0144 13,1787 14,0772 13,8975. * R(+) 4 (-) 8 corrida de repetibilidad pasante malla 4, retenido malla 8 ** R(+) 10 (-) 16 corrida de repetibilidad pasante malla 10, retenido malla 16 *** R(+) 16 (-) 20 corrida de repetibilidad pasante malla 16, retenido malla 20. Tabla 3.2. Contenido de humedad en el carbón inicial Tamaño de partícula (+) 4 (-) 8 (4,75 mm) R(+) 4 (-) 8 (+)10 (-)16 (2,00 mm) R(+)10 (-)16 (+)16 (-)20 (1,18 mm) R(+)16 (-)20. Peso Muestra (g) 1,0079 1,0983 1,0929 0,9746 1,0321 1,0221. Final. % Humedad. 28,7537 19,8591 28,8114 21,0693 20,5825 22,8049. 5,5164 5,3446 6,0298 5,7665 5,8909 6,1931. * R(+) 4 (-) 8 corrida de repetibilidad pasante malla 4, retenido malla 8 ** R(+) 10 (-) 16 corrida de repetibilidad pasante malla 10, retenido malla 16 *** R(+) 16 (-) 20 corrida de repetibilidad pasante malla 16, retenido malla 20.

(24) 3.3.2 Medio de separación Para el proceso de limpieza se utilizó nitrato de calcio Ca(NO3)2 como medio denso de separación, disuelto en agua para obtener densidades específicas de 1.25, 1.28, 1.31, 1.34, 1.37 y 1.40. Antes de efectuar las pruebas preliminares, se había definido un rango de densidades de 1.3 a 2.0, pero al realizar las pruebas, se observó que la masa de carbón flotaba en su totalidad a la densidad de 1.3. Este mismo comportamiento se observó para los tres tamaños de partícula a diferentes concentraciones de pulpa, por lo que fue necesario re definir el rango de densidades sobre la base de pruebas preliminares al usar intervalos más pequeños.. 3.4. Procedimiento Experimental. Para la ejecución de la parte experimental, correspondiente al trabajo de laboratorio, se utilizó un carbón proveniente de la mina del Cerrejón, específicamente un carbón tipo K60.. 3.4.1. Distribución granulométrica de la muestra original. Con el carbón original se realizó un proceso de cuarteo, para obtener una muestra representativa de aproximadamente 6 kg. Con esta cantidad se realizó el análisis granulométrico, utilizando las mallas serie ASTM N° 4, 8, 10, 16 y 20. Utilizando las normas ASTM se procedió a la determinación del contenido de cenizas y humedad del carbón como análisis próximo.. Tabla 3.3. Tamaños de partículas Mallas. Definición. Tamaño de partícula nominal (mm). (+) 4 (-) 8. Pasante 4 – retenido 8. 4,75. (+) 10 (-) 16. Pasante 10 – retenido 16. 2,00. (+) 16 (-) 20. Pasante 16 – retenido 20. 1,18.

(25) 3.4.2. Separación a escala de laboratorio. Para la separación a escala de laboratorio se trabajó con las densidades específicas de 1.25, 1.28, 1.31, 1.34, 1.37 y 1.40 las cuales fueron obtenidas concentrando la solución con nitrato de calcio, y con los tamaños de partícula (+) 4 (-) 8, (+) 10 (-) 16 y (+) 16 (-) 20.. 3.4.3. Separación por flotado-hundido. Para llevar a cabo la separación gravimétrica por flotado-hundido se utilizaron unas bolsas plásticas acondicionadas para mezclar el carbón con el medio de separación para diferentes tamaños de partícula a tres concentraciones diferentes de 15%, 20% y 25%.. Para la ejecución de las pruebas se escogieron aleatoriamente tres repetibilidades, una para cada tamaño de partícula (ver Tabla 3.4.a). Para la suspensión de nitrato de calcio y carbón se utilizaron 500 ml de medio y 53, 87 y 125 g de pulpa de carbón. El experimento se inició con la mezcla de carbón en la suspensión de nitrato de calcio a una densidad específica de 1.25. La cantidad de pulpa se adicionó a la bolsa que contenía el medio de separación y se agitó vigorosamente para garantizar un mezclado completo. Rápidamente se observó la separación de las dos fases (mineral y orgánica).. La fase orgánica correspondiente al flotado, se sometió a la siguiente densidad específica de 1.28 para obtener nuevamente una separación de fases de flotado y hundido, y se efectuó el mismo proceso hasta llegar a la densidad de 1.4. Éste procedimiento se realizó para todas las pruebas (ver Tabla 3.4.b). Las fracciones flotadas se lavaron con suficiente agua destilada para retirar el exceso de medio de separación adherido a la partícula de carbón, y se secaron a la temperatura ambiente. Cada muestra obtenida del proceso de beneficio se sometió a un proceso de molienda y tamizado, y llevada al laboratorio donde se realizaron los pertinentes análisis de cenizas y humedad..

(26) Tabla 3.4.a. Definición de las variables experimentales Concentración. C1 (15%). C2 (20%). C3 (25%). T1 (4,75 mm). T1C1. T1C2. T1C3. T2 (2,00 mm). T2C1. T2C2. T2C3. T3 (1,18 mm). T3C1. T3C2. T3C3. Tamaño de partícula. Tabla 3.4.b. Definición de las corridas experimentales Densidad, d. 1.25. 1.28. 1.31. 1.34. 1.37. 1.4. Fondo. T1C1. C1d1T1. C1d2T1. C1d3T1. C1d4T1. C1d5T1. C1d6T1. FC1T1. R1. R1d1. R1d2. R1d3. R1d4. R1d5. R1d6. FR1. T1C2. C2d1T1. C2d2T1. C2d3T1. C2d4T1. C2d5T1. C2d6T1. FC2T1. T1C3. C3d1T1. C3d2T1. C3d3T1. C3d4T1. C3d5T1. C3d6T1. FC3T1. T2C1. C1d1T2. C1d2T2. C1d3T2. C1d4T2. C1d5T2. C1d6T2. FC1T2. R2. R2d1. R2d2. R2d3. R2d4. R2d5. R2d6. FR2. T2C2. C2d1T1. C2d2T1. C2d3T1. C2d4T1. C2d5T1. C2d6T1. FC2T2. T2C3. C3d1T2. C3d2T2. C3d3T2. C3d4T2. C3d5T2. C3d6T2. FC3T2. T3C1. C1d1T3. C1d2T3. C1d3T3. C1d4T3. C1d5T3. C1d6T3. FC1T3. R3. R3d1. R3d2. R3d3. R3d4. R3d5. R3d6. FR3. T3C2. C2d1T3. C2d2T3. C2d3T3. C2d4T3. C2d5T3. C2d6T3. FC2T3. T3C3. C3d1T3. C3d2T3. C3d3T3. C3d4T3. C3d5T3. C3d6T3. FC3T3. Variables.

(27) 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 4.1 Efecto del tamaño de partícula, concentración y densidad sobre el rendimiento de flotados Para estudiar el efecto del tamaño de partícula, concentración y densidad se realizaron curvas de lavabilidad densimétricas (ver Figura 4.1).. Tal como se observa en la Figura 4.1, las curvas densimétricas para los tres tamaños muestran un comportamiento muy similar. En las tres graficas se aprecia que el rendimiento crece a medida que la densidad aumenta. El cambio en el rendimiento de flotados a las densidades de 1.34 y 1.37 no es significativo para los tres tamaños de partícula.. Para el tamaño de partícula mayor de 4.75 mm (ver Figura 4.1.a) se observa que las curvas (correspondientes a las tres concentraciones de pulpa) tienen pendiente más negativa en el rango de densidades 1.25 a 1.34 comparada con los demás tamaños. El flotado acumulado a la densidad de 1.28 es de 30% aproximadamente, presentando mejor rendimiento que en el caso de las partículas de tamaño 2.00 mm (ver Figura 4.1.b) y 1.18 mm (ver Figura 4.1.c). Se observa también que usando el mayor tamaño de partícula a la densidad de 1.28, las concentraciones de pulpa de 15% y 25% presentan una variación en el flotado acumulado en un rango entre 30% y 40%. Sin embargo, para las demás densidades, el rendimiento de flotados no varía apreciablemente con la concentración de pulpa.. En las pruebas con el tamaño de partícula de 2.00 mm, la densidad de 1.28 arrojó un valor en el flotado acumulado (ver Figura 4.1.b), menor al presentado por la partícula grande, y a su vez similar al rendimiento en la curva de menor tamaño. La concentración no muestra una diferencia significativa en el tren densimétrico, a excepción de la densidad de 1.31 donde refleja una dispersión en el rendimiento entre el 60% y 70%. Se observa también que.

(28) el rendimiento a la densidad de 1.24 es más bajo, comparado con los otros tamaños, pues varía entre el 4% y el 6%, manteniendo un comportamiento similar aun cuando se cambió la concentración de la pulpa.. Al analizar el comportamiento de las curvas para la partícula fina (1.18 mm), a las tres concentraciones, se aprecia una leve variación en el porcentaje de flotado acumulado (ver Figura 4.1.c), en el rango de densidades de 1.25 a 1.28, a diferencia de la tendencia del rendimiento de partículas grandes, donde la desviación se presentaba en un solo punto del tren densimétrico. La pendiente es similar a la Figura 4.1.b en el rango de densidades de 1.28 a 1.31. Se puede también observar que el rendimiento de flotados obtenido en la densidad de 1.37 es el mismo en los tres tamaños trabajados..

(29) (a). (b). (c). Figura 4.1. Curvas densimétricas a diferentes tamaños de partícula a) 4.75 mm, b) 2.00 mm y c) 1.18 mm, para concentraciones de carbón de 15%, 20% y 25%.

(30) 4.1. Efecto del tamaño de partícula, concentración y densidad del medio sobre el contenido de cenizas de flotados. Para estudiar el efecto de tamaño de partícula, concentración y densidad se realizaron curvas tipo M (porcentaje de rendimiento acumulado vs porcentaje de cenizas), las cuales se muestran en la Figura 4.2.. A través de las curvas M se puede de forma práctica interpretar valores del porcentaje de cenizas en función del rendimiento del flotado y de la densidad del medio. Por ejemplo, sí un proceso de beneficio requiere obtener un rendimiento determinado, con la curva densimétrica (ver Figura 4.1.) se obtiene la densidad que se necesita para alcanzar el valor de ese rendimiento. Con ese mismo dato se usa la curva M dónde es posible determinar el porcentaje de cenizas del carbón a esa densidad.. Las curvas de porcentaje de rendimiento vs porcentaje de cenizas para el tamaño de partícula de 4.75 mm (ver Figura 4.2.a), muestra una dispersión a la menor concentración y lo mismo ocurre con su réplica en el rango de cenizas entre el 2 y el 5%. A mayor concentración de pulpa se aprecia una tendencia casi lineal entre el porcentaje de rendimiento y el porcentaje de cenizas, es decir que a mayor rendimiento, el valor de cenizas es mayor, sin superar el 5% de cenizas, lo que implica que la reducción es efectiva, logrando disminuir considerablemente el contenido de la muestra inicial (22%). La pulpa concentrada al 25% presentó el mejor comportamiento de todas las muestras beneficiadas para este tamaño, obteniéndose rendimientos de flotados del 80% con concentraciones de cenizas entre el 2 y el 3%. .. La Figura 4.2.b correspondiente a la partícula de 2.00 mm muestra que para todas las concentraciones de pulpa se presenta una tendencia lineal en todo el rango de concentraciones de cenizas. Se observó que no hubo dispersión de datos como se presentó en las curvas del carbón de tamaño 4.75 mm (Figura 4.2.a). Así mismo, el mejor comportamiento en los carbones beneficiados se encontró en la curva de concentración del.

(31) 15% con un rango de cenizas entre 1.5% y 2.5%. El máximo rendimiento es aproximadamente del 80% para todas las concentraciones.. Para el tamaño de partículas finas (1.18 mm) se obtuvieron los más bajos porcentajes de cenizas en el rango de 0.6% a 1.2% con rendimientos de flotados del orden del 80%. Estos resultados están de acuerdo con lo esperado, ya que en el menor tamaño de partícula de carbón se presenta la mayor liberación de cenizas y materia orgánica..

(32) (a). (b). (c) Figura 4.2. Curvas de lavabilidad tipo M a diferentes tamaños de partícula a) 4.75 mm, b) 2.00 mm y c) 1.18 mm, para concentraciones de carbón de 15%, 20% y 25%.

(33) 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. Conclusiones La técnica empleada flotado-hundido permitió validar el principio de separación de la materia mineral de la orgánica, facilitando la determinación de un alto porcentaje de rendimiento global acumulado de 80%, resultando un proceso de beneficio realmente incidente en la disminución de cenizas.. El contenido inicial de cenizas bajó considerablemente en un promedio de 3% para todas las muestras de carbón provenientes del Cerrejón, para un carbón con un contenido inicial de cenizas de 22%.. La reducción de cenizas varía para cada tamaño y concentración. En el estudio se observó que a menor tamaño de partícula, mayor es el rendimiento del proceso de beneficio; es decir, que a menor tamaño de partícula de carbón, menor será el porcentaje de cenizas reportado. Variando las tres concentraciones que se establecieron en la experimentación se observó que a mayor concentración, menor es el porcentaje de cenizas de la muestra.. Los resultados mostraron que las fracciones de carbón beneficiadas en las densidades de 1,34 y 1,37, con Ca(NO3)2 como reactivo en la fase experimental, y tamaño nominal de partícula de 1,18 mm, presentaron el mejor rendimiento másico con la mayor remoción de cenizas contenida en el carbón manto K-60.. La fase de filtrado en la experimentación resultó muy dispendiosa para los menores tamaños de partícula. En la manipulación de las muestras se presentaron algunas pérdidas de carbón beneficiado lo que implicó repetir nuevamente el procedimiento. Se recomienda la implementación de un embudo de separación en próximos estudios, específicamente para partículas finas..

(34) El rendimiento en la reducción de cenizas es bastante significativo para partículas finas (+)16 (-)20, aunque la tendencia general muestra que a mayor concentración, menor será el contenido de cenizas en los flotados al final de la experimentación. Para partículas finas se observó que el valor de cenizas incrementaba al aumentar la concentración. En la experimentación, la mayor recuperación de flotados para todas las muestras en el tren densimétrico, se consiguió en el rango comprendido entre las tres primeras densidades 1.25, 1.28 y 1.31. La afinidad entre el carbón K-60 y el reactivo, facilitó la separación gravimétrica casi de forma instantánea, logrando apreciar fácilmente la diferencia entre la materia orgánica y la mineral, permitiendo trabajar en forma continua hasta la filtración. Recomendaciones. Se recomienda trabajar con menores tamaños de partícula en posteriores estudios, ya que éstos muestran un mejor desempeño. El rendimiento másico acumulado en un proceso de beneficio es inversamente proporcional al tamaño del carbón, para efecto de remoción de cenizas.. Utilizar como medio de separación otro reactivo como el ZnCl2 para evaluar su comportamiento sobre el tipo de carbón, y la variación del rango de densidades.. Estudiar el comportamiento de otros carbones de diferentes mantos de la mina del Cerrejón, para evaluar el efecto del medio de separación durante el proceso de flotado-hundido.. Realizar un análisis petrográfico y de minerales en cada muestra beneficiada, para complementar el estudio sobre el comportamiento del carbón tipo K-60 en un proceso de separación por flotado-hundido..

(35) 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. Alke, R. B. (1991). Coal Preparation. Colorado: Society for mining, metallurgy and exploration, inc.. American Society of Testing Materials. Moisture in the Analysis Sample of Coal and Coke. Philadelphia: 1987 (ASTM D3173 – 87).. American Society of Testing Materials. Ash in the Analysis Sample of Coal and Coke. Philadelphia: 1989 (ASTM D3174 – 89).. American Society of Testing Materials. Standard Test Method for Performing the Sieve Analysis of Coal and Designating Coal Size. Philadelphia: 1987 (ASTM D4749 – 87).. Barraza B., J. M. (2009). Comunicación personal. Universidad del Valle.. Idem (1995). Liquefaction of Beneficiated coal Fractions. Doctoral Thesis (Ph D.). University of Nottingham, Nottingham, U.K.. Berkowitz, N. (1979). An introduction to coal technology. New York: Academic Press. Pp. 345. Caicedo R., M. R. (2000). Beneficio de carbones de la región suroccidental Colombiana: Remoción de cenizas y azufre mediante separación hidrociclónica. Tesis Maestría, Escuela de Ingeniería Química, Universidad del Valle, Cali, Colombia.. Cerrejón 1. (Online). La Guajira, Colombia (2009). Citado 10 de Septiembre de 2009..

(36) http://www.cerrejoncoal.com/secciones/CERWEB/HOME/MENUPRINCIPAL/QUEHAC EMOS/CARACTICASYUSOSDELCARBON/seccion_HTML.html. Cerrejón 2. (Online). La Guajira, Colombia (2009). Citado 10 de Septiembre de 2009. http://www.cerrejoncoal.com/secciones/CERWEB/HOME/seccion_HTML.html. Dormans, H.N.M., et al. (1957). Chemical structure and properties of coal – composition of the individual macerals (vitrinites, fusinites, micrinites and exinites). Fuel, Vol. 36, Pp. 321-339.. Laskowski, J. S. (2001). Coal Flotation and Fine Coal Utilization. Amsterdam: Elsevier.. Likuen 1. Industria carboquímica nacional (Online). Colombia (2008). Citado 22 de Septiembre de 2009. http://www.likuen.com/spip.php?rubrique1. Likuen 2. Industria carboquímica nacional (Online). Colombia (2008). Citado 22 de Septiembre de 2009. http://www.likuen.com/spip.php?article4. Martínez T., M. R. (1992). Organic affinity of trace elements in Asturian bituminous coals. Fuel, Vol. 71, No. 8, Pp. 909-917.. Mayer, F. W. (1957). Mayer curve and its Apliccation. Fuel Research Institute, Vol. 7, No. 4, Pp. 584.. Piñeres M., J. L. (2008). Fenómenos superficiales y cinéticos en la concentración del grupo maceral vitrinita en fracciones beneficiadas de carbones colombianos obtenidas por flotación burbujeante. Tesis Doctorado, Escuela de Ingeniería Química, Universidad del Valle, Cali, Colombia..

(37) Sampaio, C. H., Tavares, L., M. (2005). Beneficiamento gravimétrico. Brasil: Universidade Federal do Rio Grande do Sul.. Vanegas CH., M. C. (1998). Licuefacción de fracciones beneficiadas de carbón obtenidas por separación gravimétrica. Tesis Maestría, Escuela de Ingeniería Química, Universidad del Valle, Cali, Colombia.. Wills, B. A. (1987). Tecnología de Procesamiento de Minerales. México: Limusa..

(38) ANEXOS.

(39) APÉNDICE A. EQUIPOS UTILIZADOS. Figura A1. Separación gravimétrica. Figura A2. Flotado-hundido.

(40) Figura A3. Equipo de filtración. Figura A4. Densímetro digital. Figura A5. Molino de bolas.

(41) Figura A6. Juego de Tamices.

(42) APÉNDICE B. RESULTADOS ANÁLISIS DE CENIZAS. Tabla B1. Resultados análisis de cenizas para el tamaño de partícula de 4.75 mm Corridas*. % Cenizas. C1d1T1 C1d2T1. 3,360 5,681. C1d3T1. 2,870. C1d4T1 C1d5T1. 8,396 11,553. R1d1. 3,499. R1d2 R1d3. 1,390 3,278. R1d4. 10,446. R1d5 C2d1T1. 11,174 1,190. C2d2T1. 2,379. C2d3T1 C2d4T1. 3,319 7,397. C2d5T1. 10,955. C3d1T1 C3d2T1. 1,130 1,349. C3d3T1. 2,811. C3d4T1 C3d5T1. 5,468 10,375. FC1T1. 56,819. FR1 FC2T1. 66,267 63,665. FC3T1. 63,869. * ver tabla 3.4.a y 3.4.b.

(43) Tabla B2. Resultados análisis de cenizas para el tamaño de partícula de 2.00 mm Corridas*. % Cenizas. C1d1T2. 1,4100. C1d2T2. 1,6605. C1d3T2 C1d4T2. 3,2000 5,3884. C1d5T2. 8,4566. C2d1T2 C2d2T2. 1,3994 1,4693. C2d3T2. 2,9709. C2d4T2 C2d5T2. 5,5172 8,3167. R2d1. 1,9302. R2d2 R2d3. 1,2695 2,2791. R2d4. 4,7119. R2d5 C3d1T2. 7,0972 1,3994. C3d2T2. 1,5600. C3d3T2 C3d4T2. 2,1102 3,8808. C3d5T2. 7,5162. FC1T2 FC2T2. 62,996 63,273. FR2. 61,512. FC3T2. 64,703. * ver tabla 3.4.a y 3.4.b.

(44) Tabla B3. Resultados análisis de cenizas para el tamaño de partícula de 1.18 mm Corridas*. % Cenizas. C1d1T3. 0,5297. C1d2T3. 0,4499. C1d3T3 C1d4T3. 0,3198 2,4485. C1d5T3. 4,7914. C2d1T3 C2d2T3. 0,3898 0,8493. C2d3T3. 2,0088. C2d4T3 C2d5T3. 2,7592 3,8473. C3d1T3. 1,8783. C3d2T3 C3d3T3. 0,8906 1,6387. C3d4T3. 3,6904. C3d5T3 R3d1. 5,6877 1,0494. R3d2. 0,6795. R3d3 R3d4. 2,1098 3,4200. R3d5. 5,7117. FC1T3 FC2T3. 63,1769 58,7888. FC3T3. 65,0130. FR3. 64,1451. * ver tabla 3.4.a y 3.4.b.

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